第八章GPS数据处理

第八章GPS数据处理第一节数据预处理第二节GPS基线向量的解算学时：2学时目的、要求：1．GPS测量数据处理的基本过程；2．GPS定位数据处理与常规测量数据处理的显著特点；3．基线向量的求解方法；4．解算结果分析。教学内容概述：一数据预处理GPS数据预处理的目的是：对数据进行平滑滤波检验、剔除粗差；统一数据文件格式，并将各类数据文件加工成标准化文件(如GPS卫星轨道方程的标准化，卫星时钟钟差标准化，观测值文件标准化等)；找出整周跳变点并修复观测值；对观测值进行各种模型改正。1GPS卫星轨道方程的标准化2卫星钟差的标准化3观测值文件的标准化具体项目包括：(1)记录格式标准化。(2)记录项目标准化。(3)采样密度标准化。(4)数据单位的标准化。二GPS基线向量的解算1GPS基线解算的基本原理1.1观测值基线解算一般采用差分观测值，较为常用的差分观测值为双差观测值，即由两个测站的原始观测值分别在测站和卫星间求差后所得到的观测值。1.2基线解算（平差）基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程，平差所采用的观测值主要是双差观测值。在基线解算时，平差要分三个阶段进行，第一阶段进行初始平差，解算出整周未知数参数和基线向量的实数解（浮动解）；在第二阶段，将整周未知数固定成整数；在第三阶段，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终解-整数解（固定解）。1.3初始平差1.4整周未知数的确定确定整周未知数的整数值的方法有很多种，目前所采用的方法基本上是以下面将要介绍的搜索法为基础的。搜索法的具体步骤如下：(1)根据初始平差的结果NX和NNXXD1，分别以NX中的每一个整周未知数为中心，以它们中误差的若干倍为搜索半径，确定出每一个整周未知数的一组备选整数值。(2)从上面所确定出的每一个整周未知数的备选整数值中一次选取一个，组成整周未知数的备选组，并分别以它们作为已知值，代入原基线解算方程，确定出相应的基线解：(3)从所解算出的所有基线向量中选出产生单位权中误差最小那个基线向量结果，作为最终的解算结果，这就是所谓的基线向量整数解（或称固定解）。1.5确定基线向量的固定解《GPS测量技术与应用》电子教案甘肃林业职业技术学院测绘工程系2当确定了整周未知数的整数值后，与之相对应的基线向量就是基线向量的整数解。2GPS基线解算的分类2.1单基线解算2.1.1定义当有m台GPS接收机进行了一个时段的同步观测后，每两台接收机之间就可以形成一条基线向量，共有)1(21mm条同步观测基线，其中最多可以选出相互独立的1m条同步观测基线，至于这1m条独立基线如何选取，只要保证所选的1m条独立基线不构成闭和环就可以了。这也是说，凡是构成了闭和环的同步基线是函数相关的，同步观测所获得的独立基线虽然不具有函数相关的特性，但它们却是误差相关的，实际上所有的同步观测基线间都是误差相关的。所谓单基线解算，就是在基线解算时不顾及同步观测基线间的误差相关性，对每条基线单独进行解算。2.1.2特点单基线解算的算法简单，但由于其解算结果无法反映同步基线间的误差相关的特性，不利于后面的网平差处理，一般只用在普通等级GPS网的测设中。2.2多基线解算2.2.1定义与单基线解算不同的是，多基线解算顾及了同步观测基线间的误差相关性，在基线解算时对所有同步观测的独立基线一并解算。2.2.2特点多基线解由于在基线解算时顾及了同步观测基线间的误差相关特性，因此，在理论上是严密的。3基线解算阶段的质量控制3.1质量控制指标3.2应用RATIO、RDOP和RMS这几个质量指标只具有某种相对意义，它们数值的高低不能绝对的说明基线质量的高低。若RMS偏大，则说明观测值质量较差2，若RDOP值较大，则说明观测条件较差。4影响GPS基线解算结果的几个因素及其对策4.1影响GPS基线解算结果的几个因素影响基线解算结果的因素主要有以下几条：(1)基线解算时所设定的起点坐标不准确。起点坐标不准确，会导致基线出现尺度和方向上的偏差。(2)少数卫星的观测时间太短，导致这些卫星的整周未知数无法准确确定。当卫星的观测时间太短时，会导致与该颗卫星有关的整周未知数无法准确确定，而对与基线解算来讲，对于参与计算的卫星，如果与其相关的整周未知数没有准确确定的话，就将影响整个。(3)在整个观测时段里，有个别时间段里周跳太多，致使周跳修复不完善。(4)在观测时段内，多路径效应比较严重，观测值的改正数普遍较大。《GPS测量技术与应用》电子教案甘肃林业职业技术学院测绘工程系3(5)对流层或电离层折射影响过大。4.2影响GPS基线解算结果因素的判别及应对措施5GPS基线解算的过程每一个厂商所生产的接收机都会配备相应的数据处理软件，它们在使用方法都会有各自不同的特点，但是，无论是那种软件，它们在使用步骤上却是大体相同的。GPS基线解算的过程是：(1)原始观测数据的读入在进行基线解算时，首先需要读取原始的GPS观测值数据。一般说来，各接收机厂商随接收机一起提供的数据处理软件都可以直接处理从接收机中传输出来的GPS原始观测值数据，而由第三方所开发的数据处理软件则不一定能对各接收机的原始观测数据进行处理，要处理这些数据，首先需要进行格式转换。目前，最常用的格式是RINEX格式，对于按此种格式存储的数据，大部分的数据处理软件都能直接处理。(2)外业输入数据的检查与修改(3)设定基线解算的控制参数(4)基线解算(5)基线质量的检验重点：1．了解GPS测量数据处理的基本过程；2．掌握GPS定位数据处理与常规测量数据处理的显著特点；3．掌握基线向量的求解方法；4．理解解算结果分析。难点：1．掌握GPS定位数据处理与常规测量数据处理的显著特点；2．理解解算结果分析。思考题（作业）：1．GPS数据预处理包括哪些内容?2．对GPS基线解算结果进行检核的目标是什么?检核的内容有哪些?并说明各自的作用。备注（教学组织形式、教学方法与手段等及其它需注明的问题）：采用先讲后练式教学，首先一次性讲述本章节的基础理论知识，之后通过组织学生观看实验及实际操作软件，使学生逐步掌握利用GPS软件进行数据处理的技术。课后记：本章内容实践性较强，同学们应做到认真听讲理论课，认真观看实验录象，抓住实验课的机会，才能灵活运用已学知识指导实践，提高自己的实践能力。再通过课后作业和实验报告巩固本章内容。《GPS测量技术与应用》电子教案甘肃林业职业技术学院测绘工程系4第八章GPS数据处理第三节GPS网平差第四节GPS数据处理工程实例学时：2学时目的、要求：1、GPS网平差2、GPS数据处理实例教学内容概述：一、GPS网平差在GPS网平差中，通过起算点坐标可以达到引入绝对基准的目的。在GPS控制网的平差中，是以基线向量及协方差为基本观测量的。通常采用三维无约束平差、三维约束平差及三维联合平差三种平差模型。各类型的平差具有各自不同的功能，必须分阶段采用不同类型的网平差方法。1、三维无约束平差1.1定义所谓GPS网的三维无约束平差是指平差在WGS-84三维空间直角坐标系下进行，GPS控制网中只有一个位置基准。平差时不引入使得GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部约束条件。具体地说，在进行三维平差时，其必要的起算条件的数量为三个，这三个起算条件既可以是一个起算点的三维坐标向量，也可以是其它的起算条件。1.2作用GPS网的三维无约束平差有以下三个主要作用：(1)改善GPS网的质量，评定GPS网的内部符合精度。(2)消除由观测量和已知条件中所存在的误差而引起的GPS网在几何上的不一致。(3)确定GPS网中点在指定参照系下的坐标以及其他所需参数的估值。(4)为将来可能进行的高程拟合，提供经过了平差处理的大地高数据1.3原理2．三维约束平差2.1定义所谓三维约束平差，就是以国家大地坐标系或地方坐标系的某些点的固定坐标、固定边长及固定方位为网的基准，将其作为平差中的约束条件，并在平差计算中考虑GPS网与地面网之间的转换参数。2.2作用GPS网的三维约束平差主要作用是：确定GPS网中各个点在国家大地坐标系或在指定参照系下经过了平差处理的三维空间直角坐标以及其他所需参数的估值。2.3原理3GPS网平差的流程GPS三维平差的主要流程如图9-5。二、GPS数据处理工程实例现以AshtechSolutions软件为利说明GPS数据处理全过程。AshtechSolutions《GPS测量技术与应用》电子教案甘肃林业职业技术学院测绘工程系5软件是GPS后处理软件，适用于单频、双频GPS数据基线解算，平差处理。Solutions软件在标准的Windows平台上运行，以非常友好的图形用户界面，提供简单和精确的数据，并能对外业作业状况进行真实的描述。该软件包的功能有：选星计划、接收机设置、数据传输、基线向量处理、网平差、质量分析、坐标转换、报表生成、结果输出、Rinex格式转换等模块。1Solutions软件的安装2数据解算方法2.1数据下载及转换2.2建立新项目2.3添加项目数据2.4基线向量解算（GPS原始观测数据处理）2.5GPS网最小约束平差重点：1、了解GPS网平差2、掌握GPS数据处理实例难点：1、掌握GPS数据处理实例思考题（作业）：3．试述GPS基线向量网平差有哪些类型？备注（教学组织形式、教学方法与手段等及其它需注明的问题）：采用先讲后练式教学，首先一次性讲述本章节的基础理论知识，之后通过组织学生观看实验及实际操作软件，使学生逐步掌握利用GPS软件进行数据处理的技术。课后记：本章内容实践性较强，同学们应做到认真听讲理论课，认真观看实验录象，抓住实验课的机会，才能灵活运用已学知识指导实践，提高自己的实践能力。再通过课后作业和实验报告巩固本章内容。《GPS测量技术与应用》电子教案甘肃林业职业技术学院测绘工程系6第八章GPS数据处理第五节GPS高程第六节GPS技术总结学时：2学时目的、要求：1、GPS高程2、GPS技术总结教学内容概述：一、GPS高程由GPS相对定位得到的基线向量，经平差后可得到高精度的大地高程。若网中有一点或多点具有精确的WGS-84大地坐标系的大地高程，则在GPS网平差后，可得各GPS点的WGS-84大地高程。GPS相对定位高程方面的相对精度一般可达(2-3)10-6，在绝对精度方面，对于10km以下的基线边长，可达几个厘米，如果在观测和计算时采用一些消除误差的措施，其精度将优于±lcm。但在实际应用中，地面点一般采用正常高程系统。因此，应找出GPS点的大地高程同正常高程的关系，并采用一定模型进行转换。本节将介绍如何将GPS高程观测结果变为可实用的正常高程结果。1、高程系统之间的转换关系大地水准面到参考椭球面的距离，称为大地水准面差距，记为gh。大地高与正高之间的关系可以表示为：gghHH（9-29）似大地水准面到参考椭球面的距离，称为高程异常，记为。大地高与正常高之间的关系可以表示为：HH（9-30）WGS-84大地高（H84）与正常高的关系:84HH（9-31）2、GPS水准高程采用GPS测定正高或正常高称为GPS水准测量。方法是GPS测量得出的是一组空间直角坐标(x，y，z)坐标，通过坐标转换可以将其转换为大地经纬度和大地高(H)，确定大地水准面差距或高程异常。点的正高或正常高高程系统间转换。此可以看出，GPS水准实际上包括两方面内容：一方面是采用GPS方法确定大地高，另一方面是采用其他技术方法确定大地水准面差距或高程异常。如果大地水准面差距已知，就能够通过式(9-14)进行大地高与正高间的相互转换，但当其未知时，则需要设法确定大地水准面差距的数值。确定大地水准面差距的基本方法有天文大地法、大地水准面模型法、重力测量法和几何内插法及残差模型法等方法。下面是高程拟合的几个注意问题:(1)选择合适的高程异常已知点(2)高程异常已知点的数量(3)分区拟合法二、GPS技术总结《GPS测量技术与应用》电子教案甘肃林业职业技术学院测绘工程系71、技术总结的作用2、技术总结的内容技术设计需要包